天然气管道受杂散电流干扰评价及规律研究

赵晓隆 包文红 李广印 李 捷

甘肃省特种设备检验检测研究院, 甘肃 兰州 730050

0 前言

随着节能减排政策实施、能源结构转型和碳达峰战略的推进,油气管道作为天然气这种低碳清洁能源的主要运输方式,在“产供储消”环节迅猛发展,“十三五”期间中国建设油气管道合计4.6×104km,中国天然气管道总里程达到约1.1×105km[1-2]。近年来,中国城市化进程发展迅速,能源、电力和交通建设项目出现与埋地油气管道临近、并行和交叉的情况,管道会受到直流或交流杂散电流的干扰,加之管道运输、安装不规范导致管道防腐层出现破损点,进一步加剧了管道腐蚀,甚至出现腐蚀穿孔[3-4]。

杂散电流对埋地管道的干扰受到相关专家、学者的广泛关注,采用现场检验检测、实验模型和数值模拟等方法对直流、交流杂散电流干扰进行了大量研究并取得了一定成果。刘杰等人[5]采用极化试片对某天然气管道受地铁杂散电流干扰研究,发现管道动态杂散电流干扰参数与地铁运行时刻表相符,地铁白天运行和夜间停运对管道的干扰波动特征明显,并且白天运行时段具有典型周期性波动规律。相关学者通过对埋地管道通、断电位等相关参数长周期监测,得出管道受干扰程度与地铁距离相关关系,并研究杂散电流在管道流入、流出点特性随时间变化规律[6-8]。杨永等人[9]基于交流杂散电流试验研究高强钢X100在不同腐蚀环境下的行为机理发现,塔菲尔斜率和阴极极化电位等因素是引起交流干扰阴极电位偏移的主要原因。朱敏等人[10]研究发现,增大交流电流密度会使X80钢在不同的腐蚀溶液中钝化膜形成缓慢且稳定性降低,温度和交流干扰协同作用下能降低不同组织钢的钝化膜稳定性并导致腐蚀速率急剧增大。关于地铁、高速铁路杂散电流分布及管道腐蚀模型仿真技术、建模优化等数值模拟方法近年来蓬勃发展[11-13]。杂散电流干扰下管道保护电位波动及牺牲阳极参数的波动规律国内报道较多[14-17]。刘国等人[18]介绍了交流杂散电流干扰的腐蚀机理,并研究了国际上不同标准对交流杂散电流干扰腐蚀的评价,提出了更适宜的交流杂散电流检测方法和评价条件。

本文以东部某天然气管道受京广铁路、城际轨道和高压交流输电线路杂散电流干扰为研究,采用数据记录仪对管道进行杂散电流普查和干扰管段24 h连续监测,分析了动态直流杂散电流的干扰程度和影响规律,研究了杂散电流在管道上的流出和流入点,并采用试片实测交流和直流电流密度，评估了交流杂散电流的危害程度。

1 现场概况及测试方法

东部某天然气管道长130 km,防腐层为3 LPE,管道规格为Φ377×7.1 mm,管道材质为L415,采用外加电流阴极保护方式,日常巡检发现管道受杂散电流干扰,现场干扰源调查发现该管道在里程K050附近与京广铁路平行敷设,管道与铁路直线最近距离为3.1 km,平行敷设约1.2 km,里程K089和K090之间与城际轨道交叉,管道沿线多处与高压交流输电线路交叉和平行,管道与铁路和城际轨道相对位置见图1。依据GB/T 21246—2020《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》测试管道通电电位(Von)、试片断电电位(Voff)、交流电压和电流密度,试片埋设在测试桩附近,埋深大于0.8 m,测试时试片已充分极化。首先在干扰源高峰时段对沿线130个测试桩进行5 min干扰普查,对杂散电流干扰地段进行 24 h 连续监测。现场检测设备为uDL2数据记录仪,采样间隔为5 s,测试片材质为L415,面积为1 cm2。

图1 东部某天然气管道与京广铁路、城际轨道示意图Fig.1 Schematic diagram of a pipeline,Beijing-Guangzhourailway and intercity rail

2 现场测试结果及讨论

2.1 杂散电流普查结果及干扰程度评价

沿线130个测试桩通电电位和测试片断电电位波动情况见图2,通电电位的波动范围为-3.111～0.359 V,断电电位波动范围为-1.878～-0.256 V,通电电位波动幅度明显大于断电电位波动幅度,通断电电位均在里程K037～K065和K078～K110波动幅度相对较大。里程K050附近有京广铁路通过，是导致里程K037～K065电位波动的主要原因,通电电位最大波动幅度为3.250 V,里程K089和K090之间有城际轨道穿越造成干扰,是导致里程K078～K110电位波动的主要原因,最大波动幅度为3.452 V。

图2 管道电位波动分布图Fig.2 Distribution diagram of pipe potential fluctuation

依据GB/T 21447—2018《埋地钢质管道阴极保护技术规范》要求,东部某天然气管道断电电位应负于-850 mV,沿线测试瞬时断电电位共有88处正于-850 mV,断电电位平均值共有4处不满足标准要求。在动态杂散电流干扰影响下,管道阴极保护评价可以参照AS 2832.1—2015 Cathodic protection of metals-Pipes and cables。防腐层良好的管道,在测量周期内,断电电位正于保护指标-0.85 V(相对于饱和硫酸铜参比电极，CSE)的时间不能超过测量周期的5%,断电电位正于-0.80 V(CSE)的时间不能超过测量周期的2%,断电电位正于-0.75 V的时间不能超过测量周期的1%,断电电位正于0的时间不能超过测量周期的0.2%[19]。依据此评价准侧,沿线共有39处断电电位不满足标准要求,主要分布在里程K047～K057、K068～K082、K089～K094和K106～K115之间,评价结果见图3。由图3可知,位于K090～K094之间测试桩仅出现正于-0.75 V且超过1%测量周期,表明此段干扰强度大且频次集中;沿线断电电位测试结果未有正于0情况出现。

图3 断电电位未达到标准柱状分布图Fig.3 Substandard Voff histogram

2.2 杂散电流干扰特征分析

对里程K085测试桩干扰地段24 h监测，发现通断电位波动特征与城际轨道运行和停运时刻一致,该列车停运时间为00:00～5:30,距离监测点最近车站首末班时间分别为6:30和23:30,K085测试桩2021年7月13日15时至7月14日15时24 h监测通断电位波动图见图4。由图4可知,6:30～23:30运行时段通断电位波动相对强烈,停运时间段通断电位趋于平稳,表明该管道杂散电流干扰源为城际轨道。K085测试桩24 h监测某一时刻通断电位波动特征图见图5。由图5可知,该列车通电电位干扰峰值呈现周期波动规律,城际轨道平均行车时间间隔为15.3 min,与发车时间间隔相符。

图4 K085测试桩24 h监测结果图Fig.4 24-hour monitoring results of K085 test pile

图5 图4中某时刻波动特征图Fig.5 Fluctuation characteristics at a certain time in Fig.4

K058测试桩受京广铁路杂散电流干扰通断电位24 h监测结果见图6。由图6可知,通断电电位波动杂乱无明显规律,白天和夜间通断电电位波动幅度均较大,表明未受到城际轨道动态干扰的影响。由图4可知,K085测试桩杂散电流干扰为呈周期动态干扰,白天比夜间波动幅度强烈,白天城际轨道运行K085测试桩通电电位最大波动幅度为1.136 V,夜间停运时刻最大波动幅度为0.14 V,进一步表明K085测试桩杂散电流干扰主要受城际轨道影响,由于京广铁路与K085相距较远,并未对监测点造成明显干扰,现场调研夜间较小的波动幅度是由城郊电力设施影响造成的。

2.3 管道电位波动与干扰源的影响规律

由图2可知,距离干扰源越近管道通电电位波动越强烈,随距离的增大波动趋于平缓,表明管道所受铁路、城际轨道杂散电流的干扰程度随着距离的增加呈减小趋势。

受杂散电流干扰的管道,电流由土壤流向管道的区域为管道阴极区,阴极区通电电位变负,管道得到保护,在电流由管道流出的区域为阳极区,管道通电电位变正,管道会产生腐蚀。以干扰源运行时段和停运时段管道通电电位的差值对杂散电流的流向及部位进行识别[20]，发现里程K037～K110受杂散电流干扰影响较大,以此段为试验对象研究杂散电流的流入和流出规律。

里程K037～K110通电电位偏移量见图7。由图7可知,11：30时刻检测结果表明:里程K037～K045测试桩管道电位正向偏移,为杂散电流的流出区域,测试桩K045～K048管道电位负向偏移,表明为杂散电流流入区域;同理以K063～K064、K074和K106～K107为分界点,管段之间杂散电流交替为流出和流入区域。15：30时刻检测结果表明:以K045、K045～K046、K072、K078、K107为分界点,管道上杂散电流交替为流入和流出区域。分界点里程K045和K107在不同时段互为杂散电流流入和流出点,分界点位置与不同时段对应关系一致;而里程K063～K078管段之间分界点在不同时段测试杂散电流流入和流出点不一致,表明城际轨道和铁路在时间和空间维度对管道杂散电流有交互影响。

图7 电位偏移量分布图Fig.7 Potential offset distribution map

2.4 交流杂散电流检测及评估

现场勘查发现管道沿线有多处高压交流输电线路与管道交叉和平行,对沿线130个测试桩进行交流电压测试和土壤电阻率测试,依据GB/T 50698—2011《埋地钢质管道交流干扰防护技术标准》(以下简称GB/T 50698—2011)规定,当管道上的交流干扰电压不超过 4 V 时,可不采取防护措施,高于4 V时应采用交流电流密度进行评估：

JAC=8V/(ρπd)

(1)

式中：JAC为交流电流密度，A/m2;V为交流干扰电压，V;ρ为土壤电阻率，Ω·m;d为破损点直径，m，按发生交流腐蚀最严重考虑，取0.011 3。

检测结果见图8,由图8可知,交流电压大于4 V共有9处,依据经验公式计算得到交流电流密度均小于30 A/m2,K070测试桩交流电压为2.11 V,因较低土壤电阻率10.2 Ω·m,使得计算得到的交流电流密度为46.64 A/m2,依据标准交流干扰电压不超过4 V,可不采取防护措施,因此沿线交流干扰程度评价结果均为弱,无需采取干扰防护措施。

国内外相关研究与实践均表明[19],交流电压及计算交流电流密度不能作为交流腐蚀严重程度的评价指标,运用此评价指标局限性较大。经验公式中土壤电阻率是测试点处与管道埋深相同深度范围内的平均电阻率,而在管道施加外加电流阴极保护的情况下,阴极反应会导致防腐层漏点周围pH值的升高,若敷设环境中碱土金属或碱金属离子浓度较高,会生成难溶沉积物或溶解度高、吸湿性强的反应产物,增高或者降低防腐层漏点周围扩散电阻,导致与地表实测土壤电阻率差别较大。为进一步评价交流杂散电流干扰,现场在K070测试桩附近埋设1 cm2试片并进行监测,测试点土壤电阻率为10.2 Ω·m,监测数据包含瞬时交流电压、计算交流电流密度和实测交流电流密度。

K070测试桩交流电流密度试片实测和理论计算监测结果分布图见图9。由图9可知,K070平均交流电压为2.002 V,在交流电压很低时,使用试片实测的交流电流密度均超过100 A/m2,最大值为134.48 A/m2。按照GB/T 50698―2011的规定,管道上的交流干扰电压不高于4 V时可不采取交流干扰防护措施,使用经验公式计算得到的交流电流密度最大值为48.56 A/m2,与实测交流电流密度有很大的误差。监测一段时候后,对测试片周围土壤进行理化测试,得到pH值为9.5,呈碱性。

图9 实测交流电流密度分布图Fig.9 Measured AC current density distribution

ISO 18086—2019 Corrosion of metals and alloys—Determination of AC corrosion—Protection criteria建议采用极化试片测试交流电流密度以及交流电流密度与直流电流密度的比值来评价交流腐蚀的风险,依据标准当交流电流密度≤30 A/m2或者交流电流密度>30 A/m2且阴极保护电流密度<1 A/m2或者交流电流密度和直流电流密度之比小于5时不发生腐蚀。现场测试试片的平均交流电流密度和直流电流密度分别为123.13 A/m2和1.6 A/m2,交、直流电流密度比值远大于5,表明该位置交流腐蚀可能性很高,需采取排流措施。同时NACE SP 21424—2018 Alternating current corrosion on cathodically protected pipelines: risk assessment, mitigation, and monitoring也推荐使用1 cm2试片进行交流腐蚀风险的评估。

3 结论

1)对于受直流杂散电流干扰的管道,采用测量周期内断电电位正于保护指标的时间比例评价方法,沿线共有39处测试桩断电电位不满足标准要求。受城际轨道杂散电流干扰下的管道通断电位波动情况与列车运行时刻一致,通电电位干扰峰值周期波动规律与间隔发车时间相符。京广铁路杂散电流干扰下的电位波动特征为通断电电位波动杂乱无明显规律。

2)管道与干扰源距离越近受杂散电流干扰程度越大;杂散电流在管段之间不同位置交替为流出和流入区域,受不同干扰源的交互影响同一位置杂散电流的流入和流出特性不同。

3)交流杂散电流检测与评估,不宜采用交流电压和计算交流电流密度评价交流杂散电流干扰,应使用试片实测交流电流密度以及交流电流密度与直流电流密度的比值来评价交流腐蚀的风险。